竖直环管内低压水过冷沸腾数值模拟研究

通过在计算流体力学软件(CFX)中添加用户程序实现对低压环管内水过冷沸腾的数值模拟。针对Lee等的过冷沸腾实验工况,利用Unal气泡脱离直径模型修正后的Tolubinsky关系式作为汽泡脱离直径关系式,采用Anglart关系式作为汽泡平均直径关系式。通过比较非曳力模型中不同升力模型、湍流耗散力模型对径向空泡份额分布的影响,提出模型的使用建议。将计算结果与实验进行比较,验证模型在低压工况范围内的适用性。     

强制对流过冷沸腾流体中汽泡脱离频率

在垂直上升环形通道内进行强制对流过冷沸腾实验。实验工质为水，实验压力为大气压力。由一台高速摄像仪对汽泡核化的动力学过程进行图像捕捉。通过影像获取总共58个工况下的汽泡脱离频率。对本实验的数据和从文献中获取的数据进行无量纲分析。将已有的模型和关系式与汽泡等待时间、生长时间以及脱离频率等实验数据进行比较。由池式沸腾改进的关系式未能很好地应用于强制对流过冷沸腾，同时，由过冷沸腾提出的模型也不能预测宽实验参数范围内的汽泡脱离频率。无量纲汽泡脱离频率与无量纲泡核沸腾热流密度相关。新的关系式与现有的低壁面过热度下的实验数据吻合良好。     

窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率研究

采用高速摄像仪对矩形窄缝通道内垂直上升流过冷流动沸腾区域汽泡脱离频率进行可视化实验研究。结果表明,汽泡脱离频率随质量流速的增大而减小,随入口过冷度的增大而减小,随热流密度的增大而增大。将实验数据与文献中汽泡脱离频率计算模型进行比较,发现基于池式沸腾和饱和流动沸腾开发的计算模型不能准确预测过冷沸腾区域汽泡脱离频率。本文以无量纲参数的形式,分别用液相雷诺数、过冷雅各布数和核态沸腾热流密度表示质量流速、主流过冷度和热流密度对汽泡脱离频率的影响,获得矩形窄缝通道内过冷沸腾区域汽泡脱离频率预测关系式,关系式的平均预测误差为±17.1%。     

过冷流动沸腾中汽泡脱离直径的理论研究

汽泡脱离直径模型是壁面沸腾计算中的一个重要子模型。为了正确预测过冷流动沸腾中的壁面传热情况,研究结合新改进的汽泡生长模型,采用力平衡方法对过冷流动沸腾中的汽泡脱离直径进行了模拟。汽泡生长模型同时考虑了微液层、过热层和汽泡顶部过冷液体层对汽泡生长所做的贡献,并采用饱和沸腾与过冷沸腾2个实验对其进行了验证,结果表明预测曲线与实验值吻合良好。另外,选取了3个过冷流动沸腾实验来验证汽泡脱离直径模型,模拟结果均在可接受的误差范围内。      

过冷沸腾通道内截面汽泡平均直径预测模型研究

通道内截面汽泡平均直径是计算两相流相间界面传递方程以及计算汽液相界面浓度的重要参数。综合考虑过冷沸腾工况下汽泡动力学、两相热力学以及汽泡聚合效应对通道内汽泡尺寸的影响,提出过冷沸腾通道内截面汽泡平均直径预测模型。将该模型与实验数据进行比较,预测值与实验值偏差±12.5%。     

基于CFD方法的矩形窄缝通道内过冷流动沸腾模型研究

板状燃料元件中的矩形窄缝通道具有宽高比大的几何特征,高度方向速度梯度大、分布陡峭,发生过冷沸腾时,近壁面汽泡运动行为将受其影响而改变,其中汽泡滑移现象对沸腾换热影响较大。本文针对矩形窄缝通道中的汽泡滑移行为,构建了包含滑移热流的壁面热流分配模型,并建立机理性的汽泡受力模型和滑移模型计算汽泡脱离直径、浮升直径和滑移距离等辅助参数,开发了一套适用于矩形窄缝通道内向上流动沸腾的壁面沸腾模型。选用Nuthel窄缝通道沸腾实验进行数值模拟验证,结果表明：本文模型可以较好地预测1～4 MPa中低压工况窄缝通道向上流动沸腾的壁面过热度,最大误差相比RPI模型由80%降低至17%;蒸发热流份额和近壁面空泡份额相比RPI模型更低。     

竖直窄矩形通道内过冷沸腾传热模型

通过引入池式沸腾-流动沸腾汽泡脱离直径比对沸腾抑制因子S进行了修正,并将修正后的S引入Lee-Mudawwar过冷沸腾CHF模型,通过结合竖直窄矩形通道内的汽泡行为进行分析,建立了适应于竖直窄矩形通道的过冷流动沸腾传热模型,探讨了影响过冷沸腾传热系数的主要因素,并通过将模型预测值与实验值进行对比,验证了模型的可靠,表明当前模型可用于计算竖直窄矩形通道内的过冷沸腾传热特性。     

低压下水欠热流动沸腾的两相CFD数值模拟研究

采用两流体(汽相和液相)基本数学模型,结合汽相和液相之间的界面传热、传质和动量交换封闭模型、汽泡平均直径模型、汽泡脱离直径模型、汽泡成核模型、汽泡脱离频率模型、欠热沸腾起始点模型和壁面热流密度分配模型,在CFD软件CFX4.4中采用用户自定义函数将相变引起的传热、传质和动量交换作为源项分别添加到汽相和液相的能量、质量和动量守恒方程中,对低压下内管加热外管绝热的环形通道内的欠热沸腾进行了数值研究,得到了欠热流动沸腾下汽相体积份额、液相速度、汽相速度分布等。采用Lee等的环形通道内低压下欠热沸腾体积份额实验数据对计算结果进行了验证,吻合良好。     

流动沸腾汽泡脱离直径尺寸分布研究

沸腾是一个复杂的换热过程，大量实验表明，不同核化点的脱离直径存在区别，即使在同一工况下，同一核化点产生的汽泡脱离直径也会大小不一，因此汽泡尺寸分布不可忽略。尽管目前已有较多用于汽泡平均尺寸的计算关系式，但对于尺寸分布的研究仍较少。因此，本文针对流动沸腾下汽泡脱离直径的尺寸分布进行研究，对比常用的伽马函数和正态分布函数描述这一分布时的准确度，确定概率函数后，再对概率密度函数中两个重要的参数均值和标准差进行分析，最后得到一套预测不同工况下汽泡尺寸分布的关系式，该关系式准确度较高，并考虑了壁面过热度、质量流速等因素的影响。     

低流速自然循环过冷沸腾汽泡脱离点实验研究

针对低流速环形通道中自然循环过冷沸腾汽泡脱离点特性进行了实验研究,运用Saha-Zuber模型、Bowring模型、Forster模型和Levy模型测算汽泡脱离点的位置,与实验值进行比较,发现由于流速较低,上述模型不适用于计算本实验条件下的汽泡脱离点。以Levy模型为基础,修正了浮力项的影响系数,修正后的模型与实验结果符合良好。